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南京大学朱嘉教授课题组在太阳能光热调控领域取得新进展:全光谱利用的水电协同联产器件
2020-01-21  来源:大发排列3网

  随着全球社会和经济的迅速发展,人类对水、电资源的需求急剧上升。虽然水和能源的需求和挑战往往相伴而生,然而目前产水和产电的装置往往独立运行,需要分立的基础设施,故而由此带来较高的成本,较低的能源利用率。

  近年来,光伏大发排列3蓬勃发展,太阳能电池的转化效率逐渐提升,同时成本逐步降低。然而就目前来说,单结太阳能电池的效率依旧在30%以下,大部分的太阳光能量(70%)没有被有效利用。对于光伏器件来说,高能光子(高于带宽)在部分被吸收后,都会以热的方式耗散掉而低能光子(低于带宽)则无法被利用(图1 A、B)。同时,热化热带来的电池温度升高会使得电池效率下降。在水处理大发排列3方面,以反渗透为代表的水处理大发排列3趋于成熟,能源转化效率已经接近热力学的极限。然而对于水处理大发排列3的进一步发展,能源消耗和对环境的影响是目前两大重点关注的议题。

  基于此,南京大学现代工学院朱嘉教授课题组提出了一种全光谱利用水电协同联产器件(Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators)(图1C)。该器件可实现全谱太阳光利用,顶部的红外透明电池产生绿色电能,底部的太阳能水净化系统淡化海水/处理污水。在顶部电池和底部纯化系统中设计了一个防水传热连接层(WTIL),使得电池和水纯化体系级联起来,产生协同作用:底部的水净化系统可作为蒸发冷却器给顶部电池降温,提高光电转化效率;而顶部电池的热化热也可被底部水净化系统利用,进一步用于水淡化过程。基于此,这一水电联产器件(图1 D、E)可同时输出电能 (204 W m-2)和净化水( 0.8 kg m-2 h-1), 从而达到74.6%的总太阳能利用率。这一设计既为便携式的水电联产需求提供了一种解决办法,也有望被运用在大型的水电协同生产中。

1:全光谱利用水电协同联产器件。A 和B为水电联产器件中的能带示意图与太阳能利用情况。C分立(左)和级联(右)的水电联产器件。顶部的红外透明电池产生绿色电能,底部的太阳能水净化系统淡化海水/处理污水。在顶部电池和底部纯化系统中设计了一个防水传热连接层(WTIL),使得电池和水纯化体系级联起来(C, 右),使之可协同工作:底部的水净化系统可作为蒸发冷却器给顶部电池降温,提高光电转化效率;而顶部电池的热化热也可被底部水净化系统利用,进一步用于水淡化过程。D和E分别为本文中水电联产装置的示意图和结构图。他们选用硅电池作为顶部的红外透明太阳能电池,还原氧化石墨烯(r-GO)复合纤维作为水净化装置系统。碳纳米管(CNT)掺杂的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)复合膜作为防水导热连接层(WTIL)来连接顶部吸收体和底部净化装置。这层复合膜不仅可以有效保护硅电池,还可以有将热化热从硅电池中有效传递至底部净化系统。

  该工作以《Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators》为题发表在著名能源杂志Cell子刊Joule上 (DOI: 10.1016/j.joule.2019.12.010) 。课题组专职科研员徐凝博士以及15级直博生朱鹏臣为该文章共同第一作者,现代工学院朱嘉教授、谭海仁教授为该论文的通讯作者,祝世宁院士予以指导与支持,天合光能盛赟博士也为此工作做出了重要贡献。该研究受到了固体微结构国家实验室(筹)微加工中心的大发排列3支持,国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金项目的资助。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.12.010

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